CN108646543A - 一种具有高稳定度性能的gnss驯服时钟方法 - Google Patents

Abstract

一种具有高稳定度性能的GNSS驯服时钟方法，通过下述方式实现：对四颗以上的卫星的载波多普勒进行测量，估计本地时钟与GNSS卫星时钟的频偏；对上述得到的频偏进行滤波；用滤波后的频偏控制本地时钟的压控晶振或数字控制振荡器以修正本地时钟的频偏。本发明相比于GNSS卫星1PPS与接收机1PPS比对的方法，其驯服后的时钟具有更优的准确度和稳定度。

Description

一种具有高稳定度性能的GNSS驯服时钟方法

技术领域

本发明涉及卫星导航时钟驯服技术，特别涉及一种卫星导航信号载波多普勒时钟驯服方法。

背景技术

在鸿雁低轨导航增强系统研制过程中，主要的指导思想是导航通信融合，通信以传输数据为主要目的，导航以测量为主要目的。鸿雁低轨星座要提供导航服务，其关键和核心是建立高精度、高稳定度的时间基准，以便于鸿雁低轨星座中的所有卫星在相同的时刻向地面播发导航增强信号。

如何将鸿雁星座中的每颗卫星的时钟同步在其被增强的GNSS系统上，是整个星座正常运行的关键。

高精度的频率源，如原子钟，虽然可以满足其需求，但其体积大、成本高、价格昂贵、经济适用性差，难以大面积普及推广应用在鸿雁低轨星座。

GNSS时间由地面高性能的原子钟组加权产生，星地双向传递到星载高性能铷钟或铯钟。该时间受地面站精确控制，因此其长期特性非常稳定，高于普通铷钟、铯钟或氢钟。从而可利用其长期稳定特性对GNSS接收机的晶振、直接数字频率合成器(DDS,DirectDigital Synthesizer)等进行校准。

传统的GNSS时钟驯服晶振是先用伪码测距控制其内部晶振产生的1PPS(秒脉冲)，再将伪码产生的1PPS与GPS卫星产生的1PPS进行实时比对，计算本地秒与GPS秒的相位差，将此相位差进行滤波，然后对接收机内部NCO或DDS进行相位调整校正，使其锁定到GNSS卫星的原子钟时间上，从而提高了本地时钟的频率稳定性和准确度。然而，卫星信号传输距离长，其信号中包含多种误差成分，如：卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层的附加延时误差、对流层的附加延时误差、多路径误差及接收机本身热噪声的误差等。其输出的1PPS具有一定的抖动，由于伪码的测量精度约为0.3m，其时钟驯服稳定度和准确度较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有高稳定度性能的GNSS驯服时钟方法。

本发明的技术解决方案是：本发明以本地时钟为参考接收GNSS信号，测量载波多普勒，解算得到本地时钟与GNSS时的实时钟速数据，最终将本地时钟驯服到GNSS时上。

一种具有高稳定度性能的GNSS驯服时钟方法，通过下述方式实现：

以本地时钟为参考接收GNSS信号，对四颗以上的卫星的载波多普勒进行测量，估计本地时钟与GNSS卫星时钟的频偏；

对上述得到的频偏进行滤波；

用滤波后的频偏控制本地时钟的压控晶振或数字控制振荡器以修正本地时钟的频偏。

进一步的，利用载波相位差分的方法对载波多普勒测量值进行处理，得到载波多普勒。

进一步的，载波多普勒具体通过下述双历元无电离层组合载波相位差分的方式得到：

进一步的，利用在地面站或车载运动平台上搭载的GNSS接收机接收四颗以上GNSS卫星的信号，测量双频无电离层组合的载波相位观测值，对无电离层延迟的载波相位测量值中的对流层延迟进行校正，再对校正后得到的载波相位差分得到载波多普勒。

进一步的，载波多普勒具体通过下述单历元载波多普勒观测值的方式得到：

利用在低轨卫星上搭载的GNSS接收机，接收四颗以上GNSS卫星的信号，不考虑对流层影响，先提取载波多普勒测量的双频频率控制字，并将其转换为多普勒速度

其中是t时刻卫星s的载频f₁对应的频率控制字，是t时刻卫星s的载频f₂对应的频率控制字，c是光速；

再对其进行无电离层组合，得到t时刻单历元载波多普勒观测值

进一步的，通过联合电离层残差组合、M-W(Melbourne-Wubbena)组合并结合多普勒测量值比对，检测出载波相位测量值中的周跳，

进一步的，通过无电离层组合的单历元载波多普勒的前后比值，检测出单历元载波多普勒的异常。

进一步的，周跳检测具体通过下述方式实现：

当下面三个不等式同时满足时，判断该卫星在t时刻的载波相位存在周跳；

其中是t时刻卫星s的MW组合，是t时刻卫星s的电离层残差组合，D^s(t)是t时刻卫星s的多普勒测量值；

Thd_MW、Thd_IR、Thd_Doppler分别依据MW组合、电离层残差组合、多普勒测量值的无周跳数据的标准差的整数倍准则来选取。

进一步的，单历元载波多普勒的异常具体通过下述方式实现：

其中Thd_vIF依据单历元载波多普勒无异常数据的标准差的整数倍准则来选取。

进一步的，Thd_MW、Thd_IR、Thd_Doppler分别依据MW组合、电离层残差组合、多普勒测量值的无周跳数据，单历元载波多普勒无异常数据的标准差的4倍准则来选取。

进一步的，所述的滤波采用三阶锁频环环路滤波器滤波，其中三阶锁频环路滤波器的噪声带宽Bn应该按0<B_n≤0.2Hz选取，环路增益选1；三阶锁频环路滤波器中二次积分器前系数KI2选KI2＝(Bn/0.7845)³，一次积分器前系数KI选KI＝1.1*(Bn/0.7845)²，线性增益选KL＝2.4*(Bn/0.7845)。

进一步的，所述的修正本地时钟的频偏具体实现方式如下：

判断滤波后的频偏是否小于GNSS接收机跟踪失锁门限；若滤波后的频偏小于失锁门限，则以此作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节；若滤波后的频偏大于等于失锁门限，则以最大不失锁频率步进作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节。

进一步的，所述的最大不失锁频率为0.1Hz。

本发明与现有技术相比有益效果为：

传统方法采用比较本地时钟与GNSS系统时钟的钟差，或本地时钟产生1PPS秒脉冲的相位与GNSS卫星1PPS相位差作为本地时钟相位调整量进行时钟驯服。本发明不用伪距测量的钟差数据，如本地产生1PPS秒脉冲与即可实现时钟驯服，不用时钟的相位数据来实现本地时钟驯服，本发明通过载波多普勒作为测量值，进行时钟驯服，其测量精度高；本发明方法提高频率信号的准确性和稳定性，是解决目前融合信号测量的有效途径。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2是本发明三阶锁频环从初始到锁定的输出相位与期望相位；

图3是本发明三阶锁频环频率锁定收敛结果；

图4是本发明时钟驯服后输出10MHz信号的频谱；

图5是本发明时钟驯服前的时钟频率稳定度；

图6是本发明时钟驯服后的时钟频率稳定度。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明涉及的载波多普勒时钟驯服的基本原理如图1所示。GNSS接收机首先用未驯服的时钟(晶振或DDS)对四颗以上的卫星的载波多普勒进行测量；然后解算用户三维速度与钟漂；再根据解算的钟漂提取压控晶振或DDS在标称工作频率下的频偏；利用三阶锁频环路滤波器对频偏进行滤波；判断滤波后的频偏是否小于接收机跟踪失锁门限；若滤波后的频偏小于失锁门限，则以此作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节，使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致；若滤波后的频偏大于等于失锁门限，则以最大不失锁频率步进作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节，使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致；环路只需要3分钟左右即可以快速锁定，最后以环路锁定后的频率作为为驯服输出，其可兼顾晶振短期稳定度和GNSS时钟的长期稳定度。具体说明如下：

1)载波多普勒测量

本发明载波多普勒计算可以达到毫米每秒的精度，其采用的途径有以下两种：

第一，双历元载波多普勒提取法，基于双频无电离层组合的载波相位观测值，先利用模型对无电离层延迟的载波相位测量值中的对流层延迟进行校正，再对此载波相位差分得到载波多普勒；

接收四颗以上GNSS卫星的信号，并测量其载波相位。对于每一颗卫星的载波相位，根据载波相位测量值，按照式(1)计算出载波多普勒。

式中φ^s(t)和φ^s(t+T)分别是卫星s在t和t+T时刻双频无电离层组合的载波相位，T是历元采样间隔，是双历元无电离层组合的载波多普勒，s表示不同的卫星，m代表观测卫星的总数。

第二，单历元载波多普勒提取法，在低轨卫星上搭载的GNSS接收机，不考虑对流层影响，载波多普勒具体通过下述单历元载波多普勒观测值的方式得到：

接收四颗以上GNSS卫星的信号，先提取载波多普勒测量的双频频率控制字，并将其转换为多普勒速度

其中是t时刻卫星s的载频f₁对应的频率控制字，是t时刻卫星s的载频f₂对应的频率控制字，c是光速。再对其进行无电离层组合

得到t时刻单历元载波多普勒观测值

双历元载波多普勒提取适用于地面静止或低速运动的接收机用户时钟驯服。单历元载波多普勒提取适用于LEO轨道高速运动的GNSS接收机用户时钟驯服。

本发明载波多普勒的双历元载波多普勒获取中需要联合电离层残差组合、M-W(Melbourne-Wubbena)组合并结合多普勒测量值比对，以有效检测出载波相位测量值中的周跳。

当(5)～(7)同时满足时，判断该卫星在t时刻的载波相位存在周跳，则剔除该卫星在本发明中的应用，实际工程中可以从健康卫星列表中剔除。

其中是t时刻卫星s的MW组合，是t时刻卫星s的电离层残差组合，D^s(t)是t时刻卫星s的多普勒测量值。Thd_MW＝2.011m、Thd_IR＝0.092周、Thd_Doppler＝0.104m/s，依据无周跳数据的标准差的4倍准则来选取。

式中λ₁和λ₂分别是与载频f₁和f₂对应的波长，是t时刻卫星s的载频f₁对应的载波相位，是t时刻卫星s的载频f₂对应的载波相位，。

单历元载波多普勒的异常具体通过下述方式实现：

其中Thd_vIF依据单历元载波多普勒无异常数据的标准差的整数倍准则来选取。若判断该卫星s在t时刻存在异常，则剔除该卫星在本发明中的应用，实际工程中可以从健康卫星列表中剔除。

2)用户速度和钟漂解算

在地面站或低速运动平台上搭载的GNSS接收机，通过上述四颗以上GNSS卫星载波多普勒测量值，依据以下线性表达式观测量接算出用户的位置v_u和钟漂

…

其中v¹、v²…v^m是已知的m颗卫星的速度，c¹、c²…c^m是m颗卫星的方向余弦矢量，c是光速，n_i,i＝1,2,...,m是第i颗卫星多普勒测量的测量噪声。

在地面站或低速运动平台上搭载的GNSS接收机，通过上述四颗以上GNSS卫星载波多普勒测量值，依据以下线性表达式观测量接算出用户的位置v_u和钟漂

…

3)提取用户时钟频偏

根据钟漂通过以下式子提取解算用户时钟实际工作频率f(即本地时钟)相对于其标称频率f₀(GNSS卫星时钟)的频偏Δf

其中标称频率f₀是已知的。

4)三阶锁频环环路滤波

采用三阶滤波技术实现较高的二三次谐波抑制，有效去除各种环境噪声影响。同时三阶锁频环可以无偏跟踪频率斜升信号，适合低轨卫星高速运动这类高动态场下的环路锁定。其中环路带宽选取不大于0.2Hz，即保证高动态下频率正常跟踪，驯服工作正常。图2中上半部分是GNSS的10MHz时钟的相位输出结果，图2中下半部分是本发明三阶锁频环，本地时钟从初始频率9999000Hz经过迭代调整逐步锁定到10MHz频率对应的输出相位，单位是周。图3是本发明三阶锁频环频率锁定收敛结果，从图3中可看出本地时钟频率与10MHz频率之间的误差逐渐减少，趋近于零。图4是其对应的功率谱密度，从图4中可看出驯服后本地时钟的功率谱在10MHz附近，本发明方法有效。

进一步的，本发明时钟驯服中，三阶锁频环路滤波器的噪声带宽Bn应该按0<B_n≤0.2Hz选取，环路增益选1。三阶锁频环路滤波器中二次积分器前系数KI2选KI2＝(Bn/0.7845)^3，一次积分器前系数KI选KI＝1.1*(Bn/0.7845)^2，线性增益选KL＝2.4*(Bn/0.7845)。图5是实际GPS接收机上高稳晶振自由运行的频率稳定度曲线。图6是采用本发明时钟驯服方法，对实际GPS接收机上高稳晶振进行驯服后的频率稳定度曲线。对比图5和图6可看出，本发明方法驯服后的时钟具有高稳定度。

5)判断环路滤波器输出是否小于接收机跟踪失锁门限

若滤波后的频偏小于失锁门限，则以此作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节，使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致；若滤波后的频偏大于失锁门限，则以最大不失锁频率步进作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节，使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致。

本发明时钟驯服中，环路锁定分为“入锁”及“锁定”两个阶段。“入锁”阶段时钟的频偏较大，时钟频率调整需要按照时钟最大不失锁频率步进进行调整，一般为0.1Hz。锁定阶段无此限制，按照实际估计测量的频偏进行时钟频率调整。

6)驯服调整压控晶振或DDS的频率

自适应调整压控晶振或DDS的频率，等待约3分钟左右即可以实现驯服锁定。最后以环路锁定后的频率作为为驯服输出，其可兼顾晶振短期稳定度和GNSS时钟的长期稳定度。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (12)

1.一种具有高稳定度性能的GNSS驯服时钟方法，其特征在于通过下述方式实现：

以本地时钟为参考接收GNSS信号，对四颗以上的卫星的载波多普勒进行测量，估计本地时钟与GNSS卫星时钟的频偏；

对上述得到的频偏进行滤波；

用滤波后的频偏控制本地时钟的压控晶振或数字控制振荡器以修正本地时钟的频偏。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用载波相位差分的方法对载波多普勒测量值进行处理，得到载波多普勒。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：载波多普勒具体通过下述双历元无电离层组合载波相位差分的方式得到：

利用在地面站或车载运动平台上搭载的GNSS接收机接收四颗以上GNSS卫星的信号，测量双频无电离层组合的载波相位观测值，对无电离层延迟的载波相位测量值中的对流层延迟进行校正，再对校正后得到的载波相位差分得到载波多普勒。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：载波多普勒具体通过下述单历元载波多普勒观测值的方式得到：

利用在低轨卫星上搭载的GNSS接收机，接收四颗以上GNSS卫星的信号，不考虑对流层影响，先提取载波多普勒测量的双频频率控制字，并将其转换为多普勒速度

其中是t时刻卫星s的载频f₁对应的频率控制字，是t时刻卫星s的载频f₂对应的频率控制字，c是光速；

再对其进行无电离层组合，得到t时刻单历元载波多普勒观测值

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过联合电离层残差组合、M-W(Melbourne-Wubbena)组合并结合多普勒测量值比对，检测出载波相位测量值中的周跳。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：通过无电离层组合的单历元载波多普勒的前后比值，检测出单历元载波多普勒的异常。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：周跳检测具体通过下述方式实现：

当下面三个不等式同时满足时，判断该卫星在t时刻的载波相位存在周跳；

其中是t时刻卫星s的MW组合，是t时刻卫星s的电离层残差组合，D^s(t)是t时刻卫星s的多普勒测量值；

Thd_MW、Thd_IR、Thd_Doppler分别依据MW组合、电离层残差组合、多普勒测量值的无周跳数据的标准差的整数倍准则来选取。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：单历元载波多普勒的异常具体通过下述方式实现：

其中Thd_vIF依据单历元载波多普勒无异常数据的标准差的整数倍准则来选取。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：Thd_MW、Thd_IR、Thd_Doppler分别依据MW组合、电离层残差组合、多普勒测量值的无周跳数据，单历元载波多普勒无异常数据的标准差的4倍准则来选取。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的滤波采用三阶锁频环环路滤波器滤波，其中三阶锁频环路滤波器的噪声带宽Bn应该按0<B_n≤0.2Hz选取，环路增益选1；三阶锁频环路滤波器中二次积分器前系数KI2选KI2＝(Bn/0.7845)³，一次积分器前系数KI选KI＝1.1*(Bn/0.7845)²，线性增益选KL＝2.4*(Bn/0.7845)。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的修正本地时钟的频偏具体实现方式如下：

判断滤波后的频偏是否小于GNSS接收机跟踪失锁门限；若滤波后的频偏小于失锁门限，则以此作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节；若滤波后的频偏大于等于失锁门限，则以最大不失锁频率步进作为压控晶振或DDS的调整量对压控晶振或DDS的频率进行调节。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述的最大不失锁频率为0.1Hz。